一种磁场传感器及多轴磁场传感器的制作方法

本技术涉及磁场测量，具体而言，涉及一种磁场传感器及多轴磁场传感器。

背景技术：

1、磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中，通过感应磁场强度变化来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场及其他参数，例如采用巨磁阻抗gmi、磁通门fluxgate、霍尔元件hall、反常霍尔元件ahe的传感器，或者采用各向异性磁电阻amr、巨磁电阻gmr、隧道磁电阻tmr、垂直隧道磁电阻ptmr、庞磁电阻cmr等磁电阻敏感元件的传感器。磁传感器的常用测量方式为采用电桥结构进行差分检测产生电压输出，通过差分全桥、差分半桥、推挽全桥、推挽半桥感应待测磁场。

2、目前，为了构成差分检测结构，现有传感器采用的磁感应模块通常具有两个相反的灵敏度方向，其实现方式包含：(1)采用分立的推臂和腕臂切片，需要操作两个切片在同一平面内进行精确定位，容易产生角度偏差和零点偏移，影响灵敏度一致性和测量精度。(2)采用多层薄膜结构的铁磁参考层的设计，由于在沉积多层薄膜时需要引入至少两种多层薄膜结构，增加了微加工工艺的复杂性。(3)采用激光程控加热磁场退火的方法，需要特定设备，工艺复杂，成本高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术实施例的目的在于提供一种磁场传感器及多轴磁场传感器，该磁场传感器包括：磁通转换模块、磁感应模块和差分检测模块；磁通转换模块包括：磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区和磁通路径连接区；磁通转换模块将磁场感应方向上的待测磁场进行聚集放大，并转换为与待测磁场方向夹角为0-90度的空间立体角方向的磁场分量；磁感应模块感应磁通转换模块气隙处的磁场，产生差分电压信号并通过差分检测模块形成待测的输出电信号，能够实现将待测磁场在气隙处转化为相反方向的磁场分量，从而用同一个灵敏度方向的磁感应模块实现推挽电桥结构的差分检测，能够采用集成制造，工艺简单，灵敏度一致性好，便于生产，从而解决了现有磁场传感器工艺复杂、成本高、灵敏度一致性差等问题。

2、第一方面，本技术实施例提供一种磁场传感器，所述传感器包括：磁通转换模块、磁感应模块和差分检测模块；所述差分检测模块与所述磁感应模块电连接；所述磁通转换模块包括：磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区和磁通路径连接区；所述磁通路径连接区包括：位于不同位置的至少两个气隙；所述磁感应模块包括：至少两个磁感应单元；所述磁通路径连接区对所述磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区进行磁路连接，并形成在磁感应方向上从所述磁场输入区进入，所述磁场输出区输出并连通的磁通路径；所述至少两个磁感应单元对应设置于所述至少两个气隙位置处，且所述磁感应单元的灵敏度方向垂直于所述气隙的竖直投影方向；其中，所述磁通转换模块用于将待测磁场沿所述磁感应方向导磁至所述磁通路径，并在所述磁通路径的气隙中产生差分磁场分量；所述磁感应模块用于根据所述差分磁场分量产生差分电压信号；所述差分检测模块用于对所述差分电压信号进行处理并输出待测电信号。

3、在上述实现过程中，通过磁通转换模块将磁场感应方向上的待测磁场进行聚集放大，并转换为与待测磁场方向夹角为0-90度的空间立体角方向的磁场分量；磁感应模块感应磁通转换模块气隙处的磁场，产生差分电压信号并通过差分检测模块形成待测的输出电信号，能够实现将待测磁场在气隙处转化为相反方向的磁场分量，从而用同一个灵敏度方向的磁感应模块实现推挽电桥结构的差分检测，能够采用集成制造，工艺简单，灵敏度一致性好，便于生产。

4、可选地，所述磁通转换模块包括：磁场输入区、磁场输出区、至少三个磁通方向转换区和至少两个磁通路径连接区；所述至少三个磁通方向转换区位于所述磁通转换模块的拐角区域，所述至少两个磁通路径连接区连接相邻的两个所述拐角区域，并与所述磁场输入区、磁场输出区在磁感应方向上形成单条连通的磁通路径；其中，所述至少两个磁感应单元用于形成推挽半桥或推挽全桥结构电路的磁电阻，感应所述磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号。

5、在上述实现过程中，通过将待测磁场经过聚集放大和磁路扭曲后，通过同一条(单条)串联的磁通路径在两处不同位置的气隙处产生正、负方向相反的磁场分量，形成差分磁场，并采用推挽半桥结构产生差分电压信号，通过开环信号调理电路形成输出电信号。优势在于可以仅采用同一个灵敏度方向的磁感应单元实现推挽半桥测量，避免了现有技术中采用不同灵敏度方向导致的角度偏差和零点偏移问题，灵敏度一致性好，测量精度高；且工艺简单，成本低，能够实现单芯片集成制造，具有体积小，稳定性好的特点。

6、可选地，所述磁通转换模块包括：磁场输入区、磁场输出区、至少四个磁通方向转换区和至少四个磁通路径连接区；所述至少四个磁通方向转换区位于所述磁通转换模块的拐角区域，所述至少四个磁通路径连接区连接相邻的两个所述拐角区域，并与所述磁场输入区、磁场输出区在磁感应方向上形成两条连通的磁通路径；其中，所述至少两个磁感应单元用于形成推挽半桥或推挽全桥结构电路的磁电阻，感应所述磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号。

7、在上述实现过程中，通过采用两个呈镜相对称的单条磁通路径的磁通转换模块结构进行并联叠加，待测磁场经过聚集放大和磁路扭曲后，形成镜像对称的两条呈并联关系的磁通路径，在四处不同位置的气隙处产生正、负方向相反的磁场分量，形成差分磁场，并采用推挽全桥结构产生差分电压信号，通过开环信号调理电路形成输出电信号。其优点在于，可以仅采用同一个灵敏度方向的磁感应单元实现推挽全桥测量，能够实现单芯片集成制造，进一步增强了聚磁效果，提高灵敏度，降低了噪声。

8、可选地，所述磁感应模块还包括：磁屏蔽参考磁感应单元；所述磁屏蔽参考磁感应单元位于磁通转换模块的竖直投影范围内；所述至少两个磁感应单元用于形成推挽半桥或推挽全桥结构电路的磁电阻，感应所述磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号；或所述至少一个磁感应单元与所述磁屏蔽参考磁感应单元用于形成差分半桥或差分全桥结构电路的磁电阻，感应所述磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号。

9、在上述实现过程中，通过将两条并联磁路所在的分立的金属软磁材料进行部分合并，有助于增加稳定性、减小体积。同时，增加了作为磁屏蔽参考磁感应单元的位于磁通转换模块金属软磁材料竖直投影范围内的磁感应单元，可形成差分半桥或差分全桥结构感应待测磁场，有助于调整和扩大磁场传感器的测量范围。其中，磁屏蔽参考磁感应单元与气隙投影处的磁感应单元相邻分布，都设置于磁通路径连接区的气隙附近，有助于增强一致性，减少零点漂移。

10、可选地，所述磁通转换模块还包括：磁通屏蔽软磁路径；所述磁通屏蔽软磁路径连通所述至少四个磁通路径连接区中沿所述磁感应方向相对设置的两个磁通路径连接区；所述磁通屏蔽软磁路径用于对带有气隙的磁通路径连接区进行屏蔽或分磁。

11、在上述实现过程中，通过新增了磁通屏蔽软磁路径，解决了待测磁场对磁场传感器工作范围的影响，显著增加了待测磁场下磁场传感器的工作范围，提升了磁感应单元的灵敏度一致性。同时，作为磁屏蔽参考磁感应单元的磁感应单元不再与气隙投影处的磁感应单元相邻分布，而是选取了金属软磁材料覆盖范围较大的位置，增加了磁屏蔽效果，使其电阻值更稳定。

12、可选地，所述磁通转换模块包括：至少两个磁场输入区以及至少两个磁场输出区；所述磁通屏蔽软磁路径连通所述至少两个磁场输入区中相邻的两个磁场输入区，以及所述磁通屏蔽软磁路径连通所述至少两个磁场输出区中相邻的两个磁场输出区；所述磁通屏蔽软磁路径用于对带有气隙的磁通路径连接区进行屏蔽或分磁。

13、在上述实现过程中，通过新增磁通屏蔽软磁路径，并增加了经过磁感应模块所在处软磁材料间的间隔距离，因而能进一步增加待测磁场的隔离效果，加强屏蔽或分磁，解决了待测磁场对磁场传感器工作范围的影响，显著增加了待测磁场下磁场传感器的工作范围，提升了磁感应模块的灵敏度一致性。

14、可选地，所述磁通转换模块与所述磁感应模块采用芯片集成工艺设置于同一块电路芯片上。

15、在上述实现过程中，通过采用单一芯片集成制备工艺将磁通转换模块与磁感应单元加工在同一芯片上，降低了成本。

16、可选地，所述磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区、磁通路径连接区中任意两者的软磁材料设置于同一平面上。

17、在上述实现过程中，通过将磁通转换模块中构成磁通路径的任意两个部分软磁材料设置于同一平面上，降低了艺难度，能够匹配更多场景需要。

18、可选地，所述差分检测模块包括：开环信号调理电路；所述开环信号调理电路与所述磁感应单元电连接；所述开环信号调理电路用于对所述差分电压信号进行调理放大和/或温度补偿和/或线性度修正。

19、在上述实现过程中，通过采用开环信号调理电路进行调理放大、温度补偿和线性度修正，实现了开环检测，提升了检测精度，取得了较好的线性度。

20、可选地，所述差分检测模块包括：闭环信号调理电路和磁场反馈线圈；所述闭环信号调理电路与所述磁感应单元电连接；所述闭环信号调理电路、磁场反馈线圈与所述磁感应单元构成闭环磁场反馈结构；所述闭环信号调理电路用于对所述差分电压信号进行调理放大；所述磁场反馈线圈用于根据调理放大后的信号产生反馈磁场达到磁场动态平衡，对所述磁场反馈线圈内的电流取样形成所述待测电信号。

21、在上述实现过程中，通过采用闭环信号调理电路和磁场反馈线圈进行差分检测，实现了闭环负反馈，提升了精度，取得了较好的线性度。

22、第二方面，本技术实施例提供了一种多轴磁场传感器，所述传感器包括：多个组合的任一上述的磁场传感器；所述多个组合的任一上述的磁场传感器中的磁通转换模块的磁场感应方向为多个；所述磁通转换模块用于对在任一所述磁场感应方向上相应的待测磁场进行差分检测。

23、在上述实现过程中，通过设置多轴传感器，不仅能够灵活独立选取多轴方向各自的磁感应模块和测量方式，同时任意方向的磁通转换模块对自身磁场感应方向上的待测磁场具有聚集放大和磁路引导作用，因而能够对其他磁场感应方向的磁感应模块起到屏蔽或分磁的作用，能够增加磁场传感器的工作范围，提高了灵活性。

24、为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。